Il miglioramento genetico delle piante

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1 Il miglioramento genetico delle piante Varietà pre-esistente Incrocio e selezione manipolazione indiretta e grossolana del patrimonio genetico Fonti di geni utili: Forme selvatiche Altre varietà e/o specie affini Mutagenesi Varietà migliorata, cioè con caratteri nuovi più favorevoli Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

2 Caratteri economicamente importanti Resistenza malattie Componenti proteiche Produttività Peso semi Resistenza cottura Colore semole e paste Resistenza siccità Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

3 Attuale ambito applicativo del miglioramento genetico delle piante Aumento della produzione Miglioramento della qualità Miglioramento delle caratteristiche nutrizionali (Nutraceutica) Colture agrarie come (bio)fabbriche Mancata dispersione del seme Habitus di crescita semi-nano Tolleranza a stress ambientali Resistenza a patogeni (insetti, funghi, batteri etc.) Resistenza ad erbicidi Composizione in proteine, ac. grassi, ecc. Digeribilità (foraggi) Caratteristiche delle fibre Rapidità di maturazione Contenuto in vitamine, micronutrienti, ecc. Prodotti ad azione medicinale/farmaceutica Bilanciamento del contenuto dei normali costituenti Cereali carenti in lisina e triptofano Legumi carenti metionina, cisteina Produzione di vaccini Produzione di anticorpi Proteine e composti di interesse biomedico Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

4 Attuale ambito applicativo del miglioramento genetico delle piante Miglioramento della qualità ambientale - Riduzione l'impatto ambientale - Rispetto della biodiversità - Sviluppo di agricoltura sostenibile Colture agrarie come fonti di combustibile Produzione di sostanze ad uso industriale non convenzionale per energia rinnovabile Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

5 Parametri che influenzano l efficacia della selezione artificiale. Numero di geni che influenzano il carattere Ampiezzadell effetto di ogni allele Frequenza dell allele Ereditabilità in senso stretto del carattere Proporzione della popolazione che viene selezionata Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

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24 r cov = ss x xy y Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

25 La presenza di una correlazione anche elevata non ci permette di affermare l esistenza di una relazione di causa effetto tra le variabili correlate. Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

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38 Obiettivi: Genetica quantitativa Esaminare i primi studi che contribuirono allo sviluppo dei fondamenti di base della genetica quantitativa Descrivere i meccanismi attraverso i quali geni multipli contribuiscono insieme all espressione fenotipica dei caratteri quantitativi Descrivere le componenti di base della variazione fenotipica e come queste sono usate per stimare l ereditabilità di un carattere e la risposta alla selezione Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

39 Gli esperimenti di W. JOHANNSEN con linee pure di Phaseolus vulgaris permisero la distinzione tra genotipo e gli effetti di fattori ambientali sul genotipo che insieme producono uno specifico fenotipo. Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

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41 Percentuale di individui omozigoti dopo varie generazioni di autofecondazione Individui omozigoti (%) [F 2 ] N di geni (n) N di generazioni segreganti (m) Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

42 L autofecondazione porta rapidamente gli individui di una popolazione autogama all OMOZIGOSI completa. Una pianta tratta da una popolazione autogama dovrebbe dare origine ad una LINEA PURA. LINEA PURA: UN INSIEME DI INDIVIDUI DERIVATI PER AUTOFECONDAZIONE DA UN CAPOSTIPITE OMOZIGOTE Nella LINEA PURA non incontriamo variabilità genetica all interno di essa, la selezione ENTRO LINEA risulta inefficace. Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

43 Effetto dell autofecondazione sull omozigosità AaBbCc AABBCC aabbcc AAbbCC AABBcc aabbcc aabbcc aabbcc AAbbcc dopo diverse generazioni di autofecondazione si ottiene una popolazione di 2 n linee pure Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

44 DEGENERAZIONE DELLE POPOLAZIONI DI SPECIE AUTOGAME Sperimentalmente si è visto che anche all interno delle linee pure c è VARIABILITA GENETICA = DEGENERAZIONE DELLE LINEE PURE Questa variabilità insorge ex-novo all interno delle linee pure. FONTI DI VARIABILITA 1) MUTAZIONI SPONTANEE 2) INCROCIO NATURALE Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

45 PROCEDURE: 1) C è variabilità genetica nella popolazione di partenza Selezione entro la popolazione 2) Si è esaurita la variabilità di partenza Incrocio intervarietale, Ibridazione interspecifica, mutagenesi, coltura in vitro, DNA ricombinante Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

46 Selezione massale Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

47 Selezione per linea pura Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

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51 In questa varietà auto-impollinante obbligata ci sono numerose linee pure che differiscono per certe caratteristiche come il peso medio dei semi. Queste differenze sono determinate geneticamente, ma per per una serie di ragioni, come per esempio la posizione del baccello sulla pianta e le risultanti differenze nell acquisizione di nutrienti, ogni pianta produce semi di diverso peso. Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

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53 JOHANNSEN scelse per la coltivazione i semi più leggeri e più pesanti nell ambito della variazione fenotipica di linee pure per alcune generazioni successive senza ottenere un cambiamento del peso medio dei semi. Una selezione entro linee pure è perciò senza effetto. Sulla base di queste osservazioni JOHANNSEN coniò i termini genotipo e fenotipo. Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

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57 Ipotesi di W. Johannsen Sapendo che ciascun seme è omozigote: la differenza di peso tra le linee pure èdi natura genetica; la differenza di peso entro la singola linea pura dipende da fattori ambientali. Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

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69 Herman Nilsson-Ehle Seed color in wheat Three genes act additively to determine seed color. The dominant allele of each gene adds an equal amount of redness; the recessive allele adds no color to the seed. A adds 1 unit of redness, a does not. B adds 1 unit of redness, b does not. C adds 1 unit of redness, c does not. Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

70 Nilsson-Ehle s Model Genotype AABBCC aabbcc AaBbCc AABbcc Redness score Color Dark red No red (white) Medium red Medium red Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

71 Nilsson-Ehle s crosses demonstrated that the difference between the inheritance of genes influencing quantitative characteristics and the inheritance of genes influencing discontinuous characteristics is the number of loci that determine the characteristic. Both quantitative (continuous) and discontinuous traits are inherited according to Mendel s laws. P F1 F2 Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

72 Quantitative traits are influenced by the combined effects of numerous genes. These are called polygenic or multifactorial traits. The genes follow Mendelian laws of inheritance; however, multifactorial traits have numerous possible phenotypic categories. Environmental influences blur the phenotypic differences between adjacent genotypes. Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

73 As the number of loci affecting the trait increases, the # phenotypic categories increases. Number of phenotypic categories = (# gene pairs 2) +1 Connecting the points of a frequency distribution creates a bell-shaped curve called a normal Pierce, GENETICA, distribution. Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

74 INFLUENCE OF THE NUMBER OF LOCI ON THE DISTRIBUTION OF PHENOTYPES Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

75 Sexual reproduction can produce a huge diversity of genotypes. With 10 independent loci and only 2 alleles at each there are, 3 10 combinations 60,000 If there are + and alleles with a frequency of 0.5, the probability that an individual would be all + or all is (1/4) 10 = 10 6 Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

76 n = # di geni 1/4 n = Rapporto (%) di individui F2 che esprimono l uno o l altro fenotipo estremo 2n + 1 = numero totale di categorie fenotipiche possibili Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

77 Experiments by East (1911, 1916) crossing strains of plants widely differing in quantitative trait values confirmed the ideas of Nilsson-Ehle. Parental Types AA aa Aa F 1 x F 1 E. M. East AA Aa aa F 2 OUTBREAK OF VARIATION Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

78 Inheritance of Ear Length in Corn 1. Emerson and East (1913) experimented with two purebreeding strains of corn. a. Each strain shows little variation in ear length. i. The Black Mexican sweet corn variety has short ears (mean length 6.63 cm) with a standard deviation (s) of ii. Tom Thumb popcorn has long ears (mean length cm), and s = b. The two strains were crossed, and the F 1 plants interbred c. i. The mean ear length in the F 1 is cm, approximately intermediate, and s = ii. Since both parents were true-breeding, all F 1 plants should have the same heterozygous genotype, and any variation in length would be due to environmental factors. iii. The mean ear length of the F 2 is cm, very similar to the F 1, but in the F 2, s = 2.252, reflecting its greater variability. iv. It is expected that the environment would have the same effect on the F 2 that it had on the P and F 1 plants, but it would not be expected to have more effect. v. The increased variability in the F 2 most likely results from its greater genetic variation. Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

79 Inheritance of ear length in corn Peter J. Russell, igenetics: Copyright Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings. Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

80 Another example is East s study of Nicotiana longiflora flower length in genetic crosses. a. He crossed a short-flowered strain (mean length of 40.4 mm) with a long-flowered strain (mean length of 93.1mm). b. The F 1 progeny (173 plants) had a mean flower length of 63.5 mm, intermediate to the parents. c. The F 2 had a mean of 68.8 mm, very similar to the F 1. But the F 2 had a variance of 42.2 mm 2, while F 1 variance was only 8.6 mm 2, indicating that more phenotypes occur among the F 2 than among the F 1. Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

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82 Nicotiana longiflora Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

83 . Aside from the environmental influence, four observations emerge that apply generally to similar quantitative-inheritance studies: a. The F 1 will have a mean value for the trait intermediate between the means of the two truebreeding parental lines. b. The mean value in the F 2 is about the same as that for the F 1. c. F 2 shows more variability around the mean than the F 1 does. d. Extreme values for the trait in the F 2 extend farther into the parental range than the extreme values for the F 1. The data are not consistent with a single Mendelian locus, because the discrete classes expected do not occur. Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

84 Homozygous parental pops. selected to have very different phenotypes - still show some environmental variation F1- intermediate - shows some variability (environmental) F2 - much greater variability - mean is intermediate in length variation here genetic + envir. Plants selected from different parts of F2 produce F3 with corresponding phenotypes - proves F2 phenotype was partly genetically based. Typical inheritance where phenotypes show continuous range. Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

85 NB - no nice 3:1, 9:3:3:1 ratios! This is the normal type of result for most traits. Due to:- 1. Multiple genes each having some cumulative effect on the phenotype -(QTL S) plus 2. Environmentally caused variation Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

86 All inizio del 1900 c era un acceso dibattito circa il fatto che la genetica Mendeliana potesse spiegare i caratteri quantitativi Possiamo fare delle previsioni circa la distribuzione attesa del carattere a seconda che sia controllato da 1, 2 o più geni. Ricordarsi come si costruisce il quadrato di Punnett Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

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88 A seconda del numero di geni, i modelli genetici predicono un numero diverso di fenotipi Un gene: 3 fenotipi Due geni: 5 fenotipi Sei geni: 13 fenotipi Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

89 Come si stabilisce se un carattere quantitativo è controllato da più geni? Nel modello con uno o due geni molti individui della F2 hanno un fenotipo uguale a quello parentale Questo non succede nel caso del modello con 6 loci. In questo caso solo 1 individuo su 4096 ha genotipo aabbccddeeff. Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

90 Se il modello mendeliano è corretto dovremmo essere in grado di ritornare al fenotipo parentale attraverso una selezione mirata East in effetti riuscì a selezionare due popolazioni di piante: una con petali corti ed una con petali lunghi. In 5 generazioni la maggior parte delle piante di queste due popolazioni avevano una lunghezza dei petali del tutto analoga a quella dei parentali Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

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92 Ovviamente le piante della generazione F5 non avevano corolle esattamente delle stessa dimensione dei parentali sebbene fossero geneticamente identici Perchè? Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

93 Le piante non erano ancora linee pure come i parentali Il numero di geni coinvolti era maggiore di 4 Effetti ambientali Infatti, differenze a livello ambientale possono causare differenze anche grandi tra organismi geneticamente identici Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

94 La variazione totale del carattere fenotipico si indica con Vp La quota di variazione tra individui che è dovuta ai loro geni è detta la variazione genetica Vg La quota di variazione tra individui dovuta all ambiente (o a cause non controllabili) è detta variazione ambientale: Ve Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

95 Statistical Tools How much of a variation in phenotype (V P ) is due to genetic variation (V G ) and how much to environmental variation (V E )? This can be expressed: V P = V G + V E. To work this equation, variation must be measured and then partitioned into genetic and environmental components. Pierce, GENETICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2005

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